Tanques y Tolvas – basculasjri

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6.3 Tanques horizontales para líquidos

Los tanques horizontales para líquidos generalmente cumplen la condición de que el centro de gravedad del contenido se desplaza aproximadamente a lo largo de una línea vertical a medida que se llenan o vacían.

Por lo tanto, una instalación con una celda de carga debajo de un soporte del tanque y dos acoplamientos fijos debajo del otro soporte es suficiente para realizar mediciones de nivel relativamente simples.

Un tanque ideal soporta la mitad de su peso sobre una celda de carga pendular autocentrante y la otra mitad sobre dos acoplamientos fijos. En condiciones normales, no se requieren elementos de sujeción adicionales. Sin embargo, en tanques muy largos pueden instalarse topes fijos como protección adicional contra el vuelco en caso de impactos laterales sobre el tanque, limitando los movimientos laterales a ambos lados de la base apoyada sobre la celda de carga.

En aplicaciones prácticas, la distribución simétrica del contenido suele verse alterada por una ligera e intencional inclinación de la base del tanque hacia un lado, así como por la tubería de descarga ubicada en ese mismo lado. Para lograr un pesaje más preciso, la solución óptima es una disposición autocentrante de tres celdas de carga, mientras que los topes fijos constituyen el mejor método para garantizar la estabilidad horizontal del tanque.

6.2.2 Central suspension on a single load cell

Con esta disposición, es indispensable contar con soportes especiales para evitar oscilaciones y el riesgo de vuelco.

6.2 Suspended tanks

Problems with the centring of suspended tanks can be eliminated or mitigated with simple round flexible braces.
In addition to the anti-tilt protection, which is always necessary, tensioners are also required to prevent oscillations and twists.

6.2.1 Suspension on two or three load cells
The simplest design requires several tangentially placed stays. In cases where tensions are low, a lower side outlet pipe can perform the same function as the stays.

6. Ejemplos de diseños e instalaciones de celdas de carga

A continuación, se presentan de forma esquemática algunos ejemplos de diseños típicos de tanques. Los detalles constructivos y las referencias a posibles problemas se explican con mayor profundidad en las secciones específicas correspondientes.

6.1 Tanques verticales

Las instalaciones con dos soportes fijos y una celda de carga son adecuadas para tanques que contienen líquidos o materiales a granel con llenado centrado. El tanque debe tener un diseño simétrico para que la línea que representa el centro de gravedad en los distintos niveles de llenado se mantenga aproximadamente vertical, de acuerdo con la precisión requerida.

En todos los demás casos, especialmente cuando se requiere una mayor precisión, es preferible utilizar una instalación con tres o más celdas de carga.

6.1.1 Instalación rígida de una celda de carga

Este diseño simple, compuesto por un soporte y una celda de carga montada rígidamente, no se recomienda, ya que genera efectos desfavorables sobre la celda de carga.

Debido a las deformaciones producidas por los cambios en el nivel de llenado, así como por vibraciones y variaciones de temperatura, generalmente no es posible evitar impactos negativos en la medición.

Aun así, existen algunas instalaciones que utilizan este diseño.

6.1.2 Tanque vertical con dos soportes fijos y una celda de carga compensada

Esta configuración de medición de nivel consiste en una celda de carga montada en una cuna, acompañada por dos soportes fijos que también limitan el movimiento horizontal del tanque.

Este diseño permite evitar de manera económica los efectos indeseables sobre la celda de carga.

6.1.3 Silo cilíndrico sobre tres o cuatro celdas de carga

Normalmente, tres celdas de carga permiten medir el nivel con buena precisión.

Sin embargo, en algunos casos se utilizan cuatro celdas de carga, por ejemplo en tanques rectangulares simétricos. Desde el punto de vista estático, esta disposición suele ser menos favorable y tiene un costo más elevado.

Las celdas se instalan fácilmente en la estructura. Los acoplamientos elastoméricos son autocentrantes y no requieren barras tensoras, aunque generalmente se combinan con topes fijos.

En tanques de gran altura se requieren barras tensoras adicionales en la parte superior.

El ejemplo mostrado utiliza barras tensoras sin tensión inicial y bloqueadas en uno de sus extremos. Los topes fijos permanecen en contacto constante con el tanque cuando este se desplaza ligeramente de su posición ideal, algo inevitable en la práctica.

La fricción generada por este contacto produce derivaciones de fuerza que pueden afectar la precisión de la medición.

Otras alternativas menos comunes incluyen:

Frenos de rodillo.
Guías mediante cables.
6.1.4 Silo cilíndrico sobre tres módulos de pesaje

El uso de tres módulos de pesaje con elementos de retención integrados que hacen contacto tangencial con la circunferencia de la estructura mantiene el tanque estable horizontalmente sin necesidad de componentes adicionales.

Asimismo, el sistema antivuelco integrado en el módulo de pesaje evita inclinaciones o balanceos del tanque.

Esto elimina la necesidad de múltiples componentes estructurales externos.

Existen módulos de pesaje estandarizados para alturas de montaje bajas, medias y altas, lo que simplifica el diseño y genera importantes ahorros en la construcción.

Por otro lado, este diseño requiere especial cuidado durante la instalación para garantizar:

Superficies de contacto paralelas.
Correcta alineación de alturas.
Adecuada distribución de cargas.
6.1.5 Tanques encamisados sobre módulos de pesaje

Los tanques con carcasa exterior o encamisado, muy utilizados en aplicaciones industriales, poseen una envolvente que se extiende hasta la base y proporciona estabilidad estructural.

Este tipo de diseño dificulta su montaje sobre celdas de carga.

La Figura 12 muestra una disposición para pesar estos tanques utilizando celdas de carga, la cual también resulta relativamente sencilla de implementar en instalaciones existentes.

Los soportes se fijan o sueldan en la cara interna de la pared del tanque y transmiten la carga de forma rígida a las celdas de carga.

En este caso, los módulos de pesaje son preferibles porque incorporan sistemas antivuelco y otras funciones de seguridad (no mostradas en la figura para simplificar la ilustración).

Una ligera elevación de la estructura suele ser suficiente para transferir completamente el peso a las celdas de carga.

Con frecuencia, la base del encamisado debe sellarse. Para ello puede utilizarse una junta circular flexible que, gracias a su elasticidad, no genera derivaciones de fuerza.

6.1.6 Tolva rectangular sobre cuatro celdas de carga en estaciones de llenado

Las condiciones de operación en las estaciones de llenado suelen ser especialmente exigentes debido a:

Vibraciones de los sistemas de transporte.
Oscilaciones de los equipos de alimentación y descarga conectados.
Aceleraciones producidas durante los desplazamientos, cuando la tolva forma parte de un sistema móvil.

Cuando materiales pesados ingresan en la tolva, pueden impactar las superficies inclinadas con suficiente intensidad como para generar cargas de corte considerables.

En estos casos, debe incorporarse un sistema de sujeción especialmente robusto con una elevada tensión inicial.

En algunas aplicaciones, la tolva se asegura mediante un dispositivo adicional que solo se libera durante el proceso de pesaje.

Por razones de estabilidad, la simetría rectangular resulta ventajosa y normalmente se refleja en la disposición de las celdas de carga.

En este tipo de instalación suelen emplearse celdas de carga equipadas con:

Acoplamientos elastoméricos.
Acoplamientos pendulares.

Tal como se muestra en el ejemplo correspondiente.

5.Tanques presurizados

n instalaciones cerradas, la presión del sistema puede afectar los resultados del pesaje.

En la industria química, algunos procesos requieren altas presiones positivas. Por otro lado, las plantas de extracción donde se pesan materiales en polvo suelen operar con presiones negativas (vacío) de entre 100 y 300 mbar.

Si la tubería está conectada al tanque de forma vertical, como se muestra en las Figuras 5 y 6, se genera una fuerza que influye directamente en los resultados de la medición. Este efecto es equivalente al producto de la presión por el área de la sección transversal de la tubería.

Si las condiciones de presión permanecen constantes durante el proceso de pesaje, este efecto puede tenerse en cuenta y compensarse mediante cálculos dentro del sistema de medición.

No obstante, es preferible y más adecuado utilizar una disposición de tuberías en sentido horizontal en lugar de una conexión vertical. De esta manera, los soportes de la instalación absorben las fuerzas parásitas generadas, minimizando su influencia sobre el sistema de pesaje y mejorando la precisión de la medición.

4. Conexiones de suministro en los tanques

Los tanques suelen requerir conexiones de suministro, por ejemplo, para la carga y descarga de materiales, o para la alimentación eléctrica, hidráulica o neumática de equipos adicionales montados sobre el tanque.

Estas conexiones pueden generar derivaciones de fuerza (force shunts), las cuales provocan errores que afectan la precisión de medición del sistema de pesaje. Por ello, las conexiones de suministro deben ser flexibles en dirección vertical.

Las Figuras 3 a 7 muestran algunos ejemplos de diseños adecuados para estas conexiones. Por razones económicas, estos aspectos deben considerarse siempre durante la fase de diseño y planificación de la instalación.

Si se utilizan tuberías rígidas sin conexiones flexibles, es preferible conectar el tanque mediante un tramo horizontal de tubería lo más largo posible. Este tramo debe incorporar algún elemento que compense la expansión en dirección longitudinal (Figura 3).

La sección horizontal de la tubería actúa como un resorte en dirección vertical; cuanto mayor sea su longitud horizontal, menor será la rigidez del sistema. Como consecuencia, la fuerza mecánica que la tubería ejerce sobre las celdas de carga en forma de carga falsa (seudocarga) —ya sea por tensión o compresión— se reduce proporcionalmente, hasta dejar de ser significativa para la precisión de la medición.

Como alternativa a un único tramo largo de tubería, pueden utilizarse varias uniones flexibles (Figura 4). El uso de conexiones mediante mangueras fabricadas con materiales elásticos y fácilmente deformables ofrece buenos resultados y evita la transferencia de fuerzas hacia el sistema de pesaje.

No obstante, en estos casos debe verificarse la compatibilidad de los materiales elásticos con el producto manejado y con los productos de limpieza utilizados, especialmente en industrias como la alimentaria o la farmacéutica.

3. Centro de gravedad de un tanque

En teoría, el centro de gravedad de un tanque lleno no debería estar más alto que sus puntos de apoyo; sin embargo, esta condición no siempre se cumple.

Por razones de estabilidad, es deseable que el centro de gravedad se encuentre por debajo de los puntos de apoyo. La posición del centro de gravedad en relación con el nivel de llenado tiene un efecto significativo en la cantidad de celdas de carga que deben utilizarse.

Si el llenado se realiza de forma simétrica respecto a las celdas de carga, es posible emplear un sistema de pesaje con una sola celda de carga, ya que la posición del centro de gravedad se desplaza a lo largo de una línea vertical (véase también la sección 6.3).

Sin embargo, si durante el proceso de llenado o vaciado el centro de gravedad también se desplaza lateralmente, entonces todos los puntos de apoyo deben estar equipados con celdas de carga. En este tipo de aplicación no deben utilizarse acoplamientos fijos ni basculantes.

La Figura 2 muestra la necesidad de instalar celdas de carga en todos los puntos de apoyo cuando la posición del centro de gravedad cambia.

Diseño estructural de sistemas de pesaje para tanques

1. Principios básicos

Al instalar celdas de carga en tanques, es necesario seguir ciertas reglas fundamentales. Los tanques suelen estar expuestos a condiciones ambientales y operativas que pueden afectar la precisión del pesaje.

Cuando se trata de tanques verticales instalados en exteriores (silos, depósitos de carbón, etc.), deben cumplirse las normativas estructurales vigentes. La instalación de un sistema de pesaje puede considerarse una modificación importante de la estructura, por lo que se recomienda consultar a un ingeniero estructural.

2. Distribución de la carga

La distribución óptima de la carga se logra utilizando tres puntos de apoyo con una celda de carga en cada uno.

Para tanques cilíndricos verticales o suspendidos, las tres celdas deben colocarse a la misma distancia del eje central del tanque y separadas entre sí por 120°. Esto garantiza una distribución uniforme del peso y una mayor precisión.

Cuando existen cuatro o más puntos de apoyo, se recomienda instalar una celda de carga en cada soporte y equilibrar cuidadosamente las cargas durante la instalación.

3. Centro de gravedad del tanque

La posición del centro de gravedad influye directamente en la cantidad de celdas de carga necesarias.

Si el centro de gravedad permanece alineado verticalmente durante el llenado y vaciado, puede utilizarse una sola celda de carga.
Si el centro de gravedad se desplaza lateralmente, todos los puntos de apoyo deben contar con celdas de carga para garantizar la precisión del pesaje.
4. Conexiones de alimentación

Los tanques suelen requerir conexiones para:

Carga y descarga de materiales.
Alimentación eléctrica.
Sistemas hidráulicos.
Sistemas neumáticos.

Estas conexiones pueden generar fuerzas parásitas que afectan la exactitud del pesaje.

Se recomienda utilizar conexiones flexibles o mangueras que permitan movimientos verticales sin transmitir esfuerzos a las celdas de carga.

5. Tanques presurizados

En sistemas cerrados, la presión interna puede influir en la lectura del peso.

Cuando las tuberías se conectan verticalmente al tanque, las fuerzas generadas por la presión afectan directamente el resultado de la medición. Por ello, se recomienda utilizar conexiones horizontales siempre que sea posible.